从FY-4A卫星遥感数据和GFS资料估算全天空状况下的地表长波辐射通量

本文介绍一种利用FY-4A成像仪遥感数据和全球预报系统(GFS)资料估算全天空地表长波辐射通量的反演方法。该方法通过辐射传输模拟和统计回归计算建立云天地表下行长波辐射通量的反演模式,并基于GFS资料处理云覆盖地区的地表上、下行长波辐射通量。这种全天空状况下两种通量的反演结合了FY-4A晴空地表长波辐射业务产品和本文反演模式处理的云天地表上、下行长波辐射通量。2018年9月1日的处理结果与Aqua/CERES同类产品相对比,精度为:RMSE=20.52 W·m^-2,R=0.9481,Bias=3.3 W·m^-2(夜间地表下行辐射通量对比);RMSE=25.58 W·m^-2,R=0.9096,Bias=5.4 W·m^-2(白天地表下行辐射通量对比);RMSE=10.97 W·m^-2,R=0.9762,Bias=-3.3 W·m^-2(夜间地表上行辐射通量对比);RMSE=19.97 W·m^-2,R=0.9283,Bias=5.0 W·m^-2(白天地表上行辐射通量对比)。这些结果表明本文发展的方法能够反演出精度较好的云天上下行长波辐射通量资料,为今后利用FY-4后续星处理生成全天空状况下的地表长波辐射通量产品奠定了理论基础。     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

塔克拉玛干沙漠腹地的长波辐射变化特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站(塔中站)实测的长波辐射资料,分析了流动沙漠区的长波辐射特征.结果表明:地表长波辐射能具体地反映地表失去热能的状况.在沙漠区,由于地表层的湍流运动较强以及下垫面温度与空气温度的差值较大,使得地表向大气传输的热通量较大,所以地面长波辐射值较大,有时接近于总辐射,最小值出现在日出前,最大值出现在15:00左右;由于大气中的水汽含量及云量较少,而沙尘气溶胶含量较高,所以大气长波辐射较大,沙漠区有效辐射也较大,为我国有效辐射年总量最高的地区之一.地表放射的净长波辐射在太阳总辐射中所占的比例小于地表反射辐射,只有在春、夏季两者较接近,且以反射辐射大些.区域气候变化过程中,沙漠加热场的强度是沙漠局地天气气候变化的主要影响因素之一.     

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m~(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m~(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m~(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m~(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m~(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

全球气候模式对东亚地区地表短波辐射的模拟检验

利用WCRPCMIP3提供的18个全球气候模式输出结果, 检验了其对东亚地区地表短波辐射的模拟能力, 结果表明:多模式集合的多年平均地表短波辐射模拟偏高约8.7 W/m 2, 晴空地表短波辐射模拟偏高约3.4 W/m 2, 地表短波云辐射强迫模拟偏低约5.3 W/m2, 模式间的标准差分别达到9.6, 7.8 W/m2和8 W/ m2; 多模式集合能够很好地模拟出地表短波辐射的纬向平均季节变化的位相特征, 但在量值上还有较大的差距; 模拟偏差分析表明, 多模式集合的区域年平均地表短波辐射、晴空地表短波辐射、地表短波云辐射强迫的均方根偏差分别为34.7, 17.1 W/m 2和29.1 W/ m2, 表明云在地表短波辐射的模拟偏差中起着重要作用; 多模式集合能够很好地模拟出地表入射短波辐射年变化的线性减小趋势, 但模式高估了晴空入射辐射的减小趋势, 而模拟的云辐射强迫变化趋势与ERA 40完全相反。     

夏季西藏4个站点大气向下长波辐射观测分析

对2011—2016年部分夏季时段分别在西藏那曲、拉萨、林芝和阿里观测的大气向下长波辐射（L_↓）进行分析,结果显示:L_↓具有明显的日变化,最大值出现在北京时间15:00前后,而最低值出现在凌晨至10:00,日平均值林芝最高（368 W·m-2）,其次是拉萨（319 W·m-2）、阿里（305 W·m-2）和那曲（299 W·m-2）。晴天L_↓ ?ngstr?m（1915）的经验公式最适合林芝,而Konzelmann（1994）的公式则适合那曲、拉萨和阿里;随着人工观测总云量的增加,L_↓增强趋势明显,满云（云量7~10成）情形4个站点云增强效应均从20 W·m-2上升至50 W·m-2以上,低云量对L_↓的增强效应明显高于总云量。云份额数（C_F）上升所对应天顶方向平均云底高度下降,但云增强效应上升。在晴天（C_F为-5%~5%、平均云底高度大于4 km）时,云增强效应仅为5 W·m-2左右（林芝接近20 W·m-2）,但当C_F为90%以上（云底高度小于3.5 km）时,云增强效应则上升到60 W·m-2（林芝接近50 W·m-2）。固定云底高度,C_F与L_↓云增强效应呈显著相关（r2为0.91~0.97）,远高于云底高度与L_↓云增强效应的相关（r2为0.32~0.58）。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。     

Estimations of Land Surface Characteristic Parameters and TurbulentHeat Fluxes over the Tibetan Plateau Based on FY-4A/AGRI Data

正Nan GE1, Lei ZHONG*1,2,3, Yaoming MA4,5,6, Yunfei FU1, Mijun ZOU1,Meilin CHENG1, Xian WANG1, and Ziyu HUANG1     

Satellite-based estimation of daily average net radiation under clear-sky conditions

ABSTRACT Daily average net radiation （DANR） is an important variable for estimating evapotranspiration from satellite data at regional scales, and is used for atmospheric and hydrologic modeling, as well as ecosystem management. A scheme is proposed to estimate the DANR over large heterogeneous areas under clear-sky conditions using only remotely sensed data. The method was designed to overcome the dependence of DANR estimates on ground data, and to map spatially consistent and reasonably distributed DANR, by using various land and atmospheric data products retrieved from MODIS （Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer） data. An improved sinusoidal model was used to retrieve the diurnal variations of downward shortwave radiation using a single instantaneous value from satellites. The downward shortwave component of DANR was directly obtained from this instantaneous value, and the upward shortwave component was estimated using satellite-derived albedo products. Four observations of air temperature from MOD07_L2 and MYD07_L2 data products were used to derive the downward longwave component of DANR, while the upward longwave component was estimated using the land surface temperature （LST） and the surface emissivity from MOD1 l_L2. Compared to in situ observations at the cropland and grassland sites located in Tongyu, northern China, the root mean square error （RMSE） of DANR estimated for both sites under clear-sky conditions was 37 W m-2 and 40 W m-2, respectively. The errors in estimation of DANR were comparable to those from previous satellite-based methods. Our estimates can be used for studying the surface radiation balance and evapotranspiration.     

THE ENERGY BUDGETS UNDER DIFFERENT SYNOPTIC CONDITIONS OVER HUAIHE RIVER BASIN DURING HUBEX FIELD OBSERVATION PERIODS IN 1999*

In different synoptic conditions and at different time scales,the analysis of the energy budgets by Bowen Ratio Method and Bulk Schemes over Huaihe River Basin during the field observation periods of HUBEX in 1999 shows that,(1) the averaged latent heat flux is an order of magnitude more than the averaged sensible heat flux during the observation period:(2) the variation of totalcloud amount is out of phase with the terms of energy budgets except for the downward longwave radiation which maybe is related to the cloud's height and class:(3) the values of sensible and latent heat fluxes are small during rain episodes,but thereafter,the values become high and then up to maximum.It is similar to the other terms of the energy budgets except for the downward longwave radiation.The diurnal variation of energy budgets indicates that the daytime precipitation exerts great influence to the energy budgets,but the nighttime precipitation makes little influence;(4) the variation of the latent heat flux is in phase with the evaporation,which indicates that the latent heat flux calculated by bulk schemes is reliable:(5) the means of the sensible and latent heat flux and momentum flux by bulk schemes for the time period from May to August are,respectively,30.71W/m².116.81W/m².2.86×10^-2N/m² in 1998 and 30.28W/m²,107.35W/m²,2.74×10^-2N/m² in 1999.The values of these two years are similar.During summer in 1999 the magnitude and activity of sensible heat flux are strongest in June and those of the latent heat flux are in August.     

中国西北三类典型裸土下垫面地表宽波段发射率变化特征研究

利用2013年我国西北戈壁、沙漠和黄土塬区三类典型裸土下垫面野外观测试验资料,探究了上述地区地表向下、向上长波辐射（DLR&ULR）、地表温度（LST）和地表宽波段发射率（LSBE）的变化特征,结果表明:黄土站地表ULR和LST明显比戈壁和沙漠站偏低;戈壁宽波段发射率（GbBE）、沙漠宽波段发射率（DeBE）和黄土宽波段发射率（LoBE）具有明显的变化特征,尤其是日变化特征;观测期内GbBE、DeBE和LoBE平均值分别约为0.926±0.0452、0.916±0.0419和0.881±0.049。三站点地表宽波段发射率的数值大小和变化特征与陆面模式中所指定的参数化情况不符。地表发射率会受站点周围环境和当时气象条件等因素的影响,表层土壤湿度被认为是一个非常重要的影响因子,将来的野外观测试验中需加强相关影响要素的观测与分析。     

2011年2月—2012年1月东南极高原辐射平衡观测研究

利用东南极高原熊猫-1自动气象站2011年2月—2012年1月观测的辐射资料和相关资料,对辐射分量和辐射平衡的季节变化进行了研究。结果表明,夏季是东南极高原获得太阳能的主要时段,总辐射通量夏季平均为365.0 W/m²,总量达到2752.1 MJ/m²,占全年总辐射量的58%。各个季节均能出现总辐射瞬时值大于大气顶水平总辐射,春季发生频率最高,冬季最小,总辐射平均日变化呈单峰型。大气长波辐射除夏季外,日变化不明显。冰雪面长波辐射除冬季外,各季节平均日变化呈明显的单峰单谷型。净辐射12月和1月为很小的正值,其他月份为负值。年平均净辐射为 -8.7 W/m²,表明地表相对于大气为冷源。该站的辐射平衡特征与其他南极内陆高原站相似,雪面具有强烈的辐射冷却效应,导致净辐射绝对值都小于下降风区。     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

The Arctic surface energy budget as simulated with the IPCC AR4 AOGCMs

Ensembles of simulations of the twentieth- and twentyfirst-century climate, performed with 20 coupled models for the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment, provide the basis for an evaluation of the Arctic (70°–90°N) surface energy budget. While the various observational sources used for validation contain differences among themselves, some model biases and across-model differences emerge. For all energy budget components in the twentieth-century simulations (the 20C3M simulation), the across-model variance and the differences from observational estimates are largest in the marginal ice zone (Barents, Kara, Chukchi Seas). Both downward and upward longwave radiation at the surface are underestimated in winter by many models, and the ensenmble mean annual net surface energy loss by longwave radiation is 35 W/m², which is less than for the NCEP and ERA40 reanalyses but in line with some of the satellite estimates. Incoming solar radiation is overestimated by the models in spring and underestimated in summer and autumn. The ensemble mean annual net surface energy gain by shortwave radiation is 39 W/m², which is slightly less than for the observational based estimates, In the twentyfirst-century simulations driven by the SRES A2 scenario, increased concentrations of greenhouse gasses increase (average for 2080–2100 minus average for 1980–2000 averages) the annual average ensemble mean downward longwave radiation by 30.1 W/m². This was partly counteracted by a 10.7 W/m² reduction in downward shortwave radiation. Enhanced sea ice melt and increased surface temperatures increase the annual surface upward longwave radiation by 27.1 W/m² and reduce the upward shortwave radiation by 13.2 W/m², giving an annual net (shortwave plus longwave) surface radiation increase of 5.8 W/m² , with the maximum changes in summer. The increase in net surface radiation is largely offset by an increased energy loss of 4.4 W/m² by the turbulent fluxes.